超声波强化Fenton处理苯酚废水的试验研究

郭秋岑，杨嗣靖

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168)

苯酚又称为石炭酸，是一种具有毒性的芳香族化合物[1]。焦化、制药、纺织等行业均会产生含有苯酚的废水[2-3]。苯酚属于难降解的有机污染物，自身具有毒性，无法采用生物方法处理含苯酚废水，目前常采用物理、化学方法[4-7]。

近年来，高级氧化法由于自身没有选择性且能够高效去除污染物，常被用于处理一些难降解的废水[8]。作为高级氧化法的一种，Fenton试剂法已对印染废水、制药废水、造纸废水等取得了较好的去除效果[9-11]。但在推广过程中发现，想要维持较好的处理效果，需加大药剂投加量，且投加量的增大与去除率并不呈正比。如何进一步提高Fenton试剂法的去除效果并节约投药量，成为现阶段的主要研究方向。笔者采用超声波强化Fenton试剂法，考察了超声波条件下有机物的去除情况以及能否实现药剂投加量的降低，以期为Fenton试剂法的强化提供理论支撑。

1 试验部分

1.1 试验用水

采用实验室模拟废水，以分析纯的苯酚配制而成，COD在470～482 mg/L。

1.2 试验装置与方法

KQ-100E型超声波清洗槽的超声电功率为100 W，工作频率为40 Hz，清洗容量为300×150×100 mm(4L)。

在进行超声波强化试验过程中，超声波反应器内注入适量的水，将装有Fenton试剂和废水的烧杯置于水中，进行超声波强化Fenton试剂法试验。同时设置对照组，在无超声波强化条件下进行传统Fenton试剂法试验，其余运行条件均与超声波强化组一致。

依照《水和废水监测分析方法》，采用快速密闭催化消解法检测COD。

2 结果与讨论

2.1 超声波强化Fenton试剂法对苯酚的处理效果

在室温条件下，向8个500 mL的烧杯中各均匀加入试验水样400 mL，并用稀H2SO4、NaOH和缓冲溶液调节pH值至3。向每个烧杯中投加500 mg FeSO4·7H2O。待充分溶解后，再投加6.4 mL/L质量浓度为30%的H2O2。将烧杯置于超声波反应器内进行试验，反应时长分别为10，20，30，40，50，60，90和120 min，控制超声波的功率和频率分别为140 W和40 kHz。待反应结束后，将pH值调节至11，静止至室温后取上清液检测COD，结果如图1所示。

图1 超声波强化Fenton对苯酚废水的处理效果Fig.1 Treatment effect of Fenton on phenol wastewater enhanced by ultrasonic wave

可以看出，虽然两组对比试验下对苯酚的去除效果均于60 min后趋于稳定，但采用超声波强化时明显优于未强化的对照组，此时的去除率为85.39%，比未经强化时提升了16.11%。分析认为，苯酚主要通过Fenton试剂氧化、自由基氧化反应和超声波空化效应产生的高温热解反应被去除，但任何一种途径都无法在较短时间内产生大量·OH，因此在反应的最初阶段COD去除率较低。随着反应的进行，·OH逐渐增多，可同时通过3个途径生成，加快反应速度。超声波强化Fenton试剂法还能够催化H2O和H2O2分解，产生更多的·OH，提高了H2O2的利用率，进而提升了Fenton试剂法的催化氧化效率。此外，超声波的搅动作用可以将·OH均匀扩散在溶液中，增大了接触面积，使反应更充分、彻底。

2.2 超声波强化对H2O2投加量的影响

保持试验流程和其他参数不变，待加入的500 mg FeSO4·7H2O充分溶解后，分别加入0.25Qth、0.5Qth、Qth、1.5Qth、2Qth、2.5Qth、3Qth质量浓度为30%的H2O2(Qth=3.2 mL/L)，反应时间为60 min。从图2可以看出，强化Fenton试剂法对COD的去除效果提升更为迅速，最佳去除率更早实现，出现在H2O2投加量为4.8 mL/L时。而未经过超声波强化的峰值，则出现在H2O2投加量6.4 mL/L。这说明超声波对Fenton试剂法中H2O2的投加量有较大影响。分析认为，超声波的空化效应使空化泡在崩溃的瞬间产生局部高温高压，加速了H2O2的分解，使溶液中的H2O和H2O2迅速分解，产生更多的·OH，提高了其产生速率，加速了苯酚的催化氧化[12]。苯酚也可以进入到空化泡中参加高温热解被去除，从而提高了去除效果。

图2 超声波强化对H2O2投加量的影响Fig.2 Influence of ultrasonic enhancement on the dosage of H2O2

2.3 超声波强化对FeSO4·7H2O投加量的影响

在室温条件下，改变FeSO4·7H2O的投加量，待其充分溶解后，加入4.8 mL/L 30% 的H2O2开展试验。从图3可以看出，与H2O2投加量受超声波的影响相似，在不同FeSO4·7H2O投加量下，超声波强化后的COD去除效果皆优于未经强化时，最佳去除率在投加量为400 mg时出现，低于未经过超声波强化的500 mg。

分析认为，Fe2+在Fenton试剂法和超声波强化Fenton试剂法中起着催化和传递自由基的作用。Fe2+可以在超声波的作用下催化H2O2分解产生更多的·OH，并提高反应速率，使·OH参与氧化去除苯酚的反应，因此COD去除率提高。此外，超声波的机械作用可以使Fe2+和·OH与溶液更加充分地混合在一起，提高了催化剂的催化效率，从而加速了苯酚的去除。

图3 超声波强化对FeSO4·7H2O投加量的影响Fig.3 Influence of ultrasonic enhancement on the dosage of FeSO4·7H2O

3 结论

① 在相同的试验条件下，超声波强化Fenton试剂法的COD去除率可达85.39%，比传统Fenton试剂法高出约16.11%。

② 超声波强化会影响Fenton试剂法的H2O2投加量，COD去除率在H2O2投加量为1.5Qth(4.8 mL/L)时达到最大，节约了H2O2的投加量。

③ 与传统Fenton试剂法相比，超声波强化可使FeSO4·7H2O的最佳投加量由500 mg降至为400 mg，减少了药剂用量，降低了成本。